JP5919738B2 - スパッタリングターゲットおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
また、上記従来のCIGS膜の成膜方法は、InターゲットおよびCu−Ga二元合金ターゲットの2枚のターゲットを使用し、さらに、Se雰囲気中で熱処理するための熱処理炉および積層膜を熱処理炉に搬送する工程を必要とするなど多くの装置および工程を必要とすることから、コストの削減は難しかった。そこで、Cu−In−Ga−Se合金ターゲットを作製し、このターゲットを用いて1回のスパッタリングによりCIGS膜の成膜しようとする試みがなされている。(特許文献2参照)。
Cu−In−Ga−Se合金ターゲットを用いてCIGS膜を形成するもうひとつのメリットは、Se雰囲気での高温熱処理を省略することによって、基板を青板ガラスより融点がはるかに低いフレキシブルな有機材料等に切り替えられることである。しかし、フレキシブルな有機材料基板に切り替える場合、CIGS太陽電池の光電変換効率維持に非常に重要であるNaの供給源がなくなり、ターゲットへのNaの直接添加が要求されるようになった。
しかし、スパッタ法ではスパッタリングターゲットへのNa添加は非常に困難であるという問題があった。すなわち、Cu−In−Ga−Se合金ターゲットを用いる場合、NaがCu−In−Ga−Se合金に固溶しないこと、また金属Naの融点(98℃)及び沸点(883℃)が非常に低いこと、さらに金属Naが非常に酸化しやすいことから、金属Naを用いた添加法は施行困難であるという不都合があった。
したがって、本発明は、上記知見から得られたものであり、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
ここで、Na/(Cu+In+Ga+Se+Na)は、Cu,In,Ga,SeおよびNaの合計含有量を100at%としたときのNaの含有量である。
導電性のCu−Ga−In−Se合金が主要成分であるターゲットに、Na化合物相を添加したことで、直流スパッタ又は高周波スパッタをしようとすると、Na化合物相による異常放電が多発する。太陽電池の光吸収層としてのCIGS膜は非常に厚いので(例えば、1000nm〜2000nm)、異常放電のために高速なスパッタができないと、太陽電池の量産が現実的に困難になる。これを解決すべく、本発明のスパッタリングターゲットでは、Na化合物の粒子サイズを最適化することで、高速スパッタを可能にした。
なお、ターゲット断面をSEMを用いて観察する際、0.1mm2視野中に10μm〜40μmの大きなNa化合物相粒子個数が3個以下であることが好ましい。
本発明者らは、Na化合物を添加した場合、スパッタリングターゲット素地中のGa単体の存在は、スパッタリングターゲットのスパッタ安定性に影響を与えることを発見した。すなわち、Gaが単体でスパッタリングターゲットに含まれると、Na化合物を含有したCu−In−Ga―Seスパッタリングターゲットはスパッタ中に異常放電が多発し、安定に成膜できない場合がある。
これを解決すべく、本発明のスパッタリングターゲットでは、スパッタリングターゲット素地中のGaが合金の形態で含有されていることを特徴とする。すなわち、Gaを固溶体又は金属間化合物とすることにより、スパッタ中の異常放電を低減することができた。
すなわち、このスパッタリングターゲットでは、ターゲット素地中のCu,Ga,InおよびSeが、四元合金の形態で含有されているので、ターゲット素地中の各元素が合金状態でなく単に混合されている形態に比べて、スパッタ時の膜質の均一性や安定性が高くなる。
すなわち、このスパッタリングターゲットでは、四元合金が、粉末X線回折法による定性分析において、カルコパイライト型CuInSe2相とCuGaSe2相との固溶体合金相であるので、スパッタリングにより均一な組成分布を有したCu−In−Ga−Se四元系カルコパイライト型合金膜を成膜することができる。
ターゲット中のCu、Ga、In、Se含有量を原子比でCu:In:Ga:Se=X:Y:1−Y:Z、0.8<X<1.05、0.5<Y<0.95、1.90<Z<2.5に規定した理由は、この組成範囲で作成したターゲットにより形成したCuInGaSeスパッタ膜は、光電変換効率が最も高いと知られている膜組成:Cu1In0.5〜0.9Ga0.1〜0.5Se2に最も近いものになるのである。特に、ターゲット中のCu含有量を0.9〜1.0(1.0含まず)、In含有量を0.6〜0.85、Ga含有量を0.15〜0.4、Se含有量を2.0〜2.4(2.0を含まず)とすることが最も好ましい。
すなわち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、上記混合粉末を、真空又は不活性ガス雰囲気中でホットプレス等で熱間加圧することで、Naを溶解法よりも均一に分散させたターゲットを得ることができる。
すなわち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、カルコパイライト型四元合金粉末と上記のNa化合物粉末とを混合、焼結することで、Naを均一に安定に含有するカルコパイライト型Cu−In−Ga−Se合金相からなるスパッタリングターゲットを作製できる。
また、ターゲット素地の粉末X線回折法(XRD)による定性分析において、素地中のGaが事実上合金形態で含有されているものである。
なお、ターゲット断面をSEMを用いて観察する際、0.1mm2視野中に10μm〜40μmの大きなNa化合物粒子個数が3個以下であることが好ましい。
さらに、Cu,In,GaおよびSeの組成範囲が原子比で、Cu:In:Ga:Se=X:Y:1−Y:Z(0.8<X<1.05、0.5<Y<0.95、1.90<Z<2.5)とされている。
すなわち、原料粉末として、NaF粉末、Na2S粉末又はNa2Se粉末の少なくとも1種と、Se粉末又はCuとSeとからなるCu−Se合金粉末の少なくとも1種と、In粉末又はCuとInとからなるCu−In合金粉末と、CuとGaとからなるCu−Ga合金粉末又はCuとInとGaとからなるCu−In−Ga三元系合金粉末の少なくとも1種とを含む混合粉末を作製し、この混合粉末を真空又は不活性ガス雰囲気中で熱間加圧により焼結する。
すなわち、このスパッタリングターゲットの製造方法では、焼結温度を100℃〜350℃に設定することにより、異常放電が少なく、より良好な耐スパッタ割れ性を有するターゲットが得られる。
特許文献2のCuとInとGaとSeとからなるCu−In−Ga−Se四元系粉末の製法としては、石英るつぼを用い、Ar雰囲気中でまずSeを670℃に加熱して固液共存状態に溶かし、その中にCuを投入してCu−Se二元合金溶湯を作製し、その後、この溶湯を650℃に保持しながら、Inを10gずつ投入して溶解し、InとSeとが反応して生じる爆発を起こさずにCu−Se−In三元系合金溶湯を作製する。このようにして得られたCu−Se−In三元合金溶湯にさらにGaを投入し、1000℃まで温度を上げ溶解することによりCu−In−Ga−Se合金溶湯を作製した。そして、得られたCu−In−Ga−Se合金溶湯を鋳型に鋳造してインゴットを作製した。得られたインゴットをボールミル、ディスククラッシャー等の乾式粉砕機を用いて粉砕し、粉砕粉を目開き250μmの篩いに通し、サイズの大きい粒子を除去した。
すなわち、この溶解工程では、第1の溶解工程S1と第2の溶解工程S2との間で、Seの融点以上の温度であってSeの沸点以下の温度に加熱して保持し液相のSe,In,Gaからなる溶湯を作製するので、第二の溶解工程S2への加熱時にSeの蒸発や突沸を防ぐことができ、4元素を溶解させることができる。よって、カルコパイライト型のCuInSe2相とCuGaSe2相との固溶体合金相を主相とするCu−In−Ga−Se合金粉末を作ることが可能になる。
(1)の方法
予め除湿したNa化合物粉末を粉砕装置(例えば、ボールミル、ジェットミル、ヘンシェルミキサー、アトライター等)を用いて、平均二次粒子径5μm以下に解砕する。さらに、この解砕分を混合装置を用いてターゲット組成の上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末と混合、分散し、熱間加圧焼結の原料粉を用意する。なお、Na化合物は水に溶解されるので、水を使う湿式粉砕混合装置よりも水を使わない粉砕混合装置の使用が好ましい。また、混合後の混合粉中の吸着水分を取り除く必要がある場合、例えば、真空乾燥機中で真空環境にて80℃、3時間以上の乾燥が有効である。
予め乾燥したNa化合物粉末を、予め用意したターゲット組成の上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末と同時に粉砕装置に充填し、混合及びNa化合物の解砕を同時に行い、Na化合物の平均二次粒子径が5μm以下になる時点で解砕を終了し、熱間加圧焼結の原料粉とする。なお、混合後の混合粉中の吸着水分を取り除く必要がある場合、例えば、真空乾燥機中で真空環境にて80℃、3時間以上の乾燥が有効である。
予め用意したターゲットを構成する一部の上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末をNa化合物粉末と混合してから、さらに、不足分の上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末(又は純Cu粉)を追加し、三者が均一になるように混合して熱間加圧焼結の原料粉とする。あらかじめNa化合物と混合する上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末と、後に足す上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末とは、ターゲットの目標組成中のCu/In/Ga/Se割合と同様でも良いし、それぞれターゲットの目標組成中のCu/In/Ga/Se割合と異なっても良い。なお、それぞれターゲットの目標組成中のCu/In/Ga/Se割合と異なる場合、予めNa化合物と混合する上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末と、後に足す上記Cu,In,Ga,Seからなる粉末とを足しあわせで作ったターゲット中のCu/In/Ga/Se割合は、目標組成と一致しなければいけない。この場合も、混合後の混合粉中の吸着水分を取り除く必要がある場合、例えば、真空乾燥機中で真空環境にて80℃、3時間以上の乾燥が有効である。
また、ターゲット中の酸素含有量をコントロールするため、熱間加圧焼結は、真空又は不活性ガス雰囲気中で行う。
熱間加圧焼結を行う際の圧力も焼結体の密度に大きな影響を及ぼすので、ホットプレスの場合は、好ましい圧力は100〜500kg/cm2、HIPの場合は、好ましい圧力は500〜1500kgf/cm2とする。
また、加圧のタイミングは、焼結昇温開始前からでもよいし、一定の温度に到達してから加圧してもよい。
なお、加工済みのターゲットの酸化、吸湿の防止するため、ターゲット全体を真空パック又は不活性ガス置換したパックを施すことが好ましい。
まず、焼結したターゲットのXRD分析は以下のように行う。
熱間加圧焼結にて得られた焼結体を、ハンマーで1mm程度まで粗粉砕した後、さらにメノウ製乳鉢で粉砕し、目の開き120μmの篩に通過する粉末を回収し、XRD分析の分析試料とした。使用したX線回折装置は、理学(株)製 RINT UltimaIIIである。測定条件は、X線CuKa;管電圧40kV、管電流40mA、測定範囲10〜90°、サンプリング幅0.02°、Scan Speed 2.である。また、ターゲット素地中におけるGa単体の存在は、XRD曲線を用い、Ga単体を示す特徴ピークの有無で判断した。すなわち、Ga単相に属するθ=15.24°(方位111)付近、22.77°(113)付近、23.27°(202)付近のピークを特徴ピークとし、Ga単相の存在の有無を特定した。
EPMA用サンプルは焼結体から1mm程度の破片を採取し、精密断面試料作製装置(CP)によって断面を加工したものを用いた。EPMAによる観察では該加工面を用いた。EPMA観察時の加速電圧は15kVであった。0.05mm2面積の写真(500倍)を10枚撮影し、その中の観察可能なNaF化合物又はNa2S化合物、Na2Se化合物粒子(0.5μm以上)のサイズを測定し、粒子の平均サイズを計算した。同時に、0.1mm2当たりの40〜10μmのNaF化合物又はNa2S化合物、Na2Se化合物凝集体平均個数を計算した。
(A)フィールドエミッションEPMAにより500倍のCOMPO像(60μm×80μm)10枚を撮影する。
(B)市販の画像解析ソフトにより、撮影した画像をモノクロ画像に変換するとともに、単一しきい値を使用して二値化する。
これにより、NaF化合物又はNa2S化合物、Na2Se化合物含有量が多い領域ほど、黒く表示されることとなる。
なお、画像解析ソフトとしては、例えば、WinRoof Ver5.6.2(三谷商事社製)などが利用できる。また、二値化とは、画像の各画素の輝度(明るさ)に対してある“しきい値”を設け、しきい値以下ならば“0”、しきい値より大きければ“1”として、領域を区別化することである。
(C)この画像すべてを選択しない最大のしきい値を100%とすると、30〜35%のしきい値を使用し黒い側の領域を選択する。
そして、この選択した領域を4回収縮し、3回膨張させたときの領域をNaF化合物又はNa2S化合物、Na2Se化合物粒子とし、個々の粒子のサイズを測定する。
収縮および膨張の倍率としては、例えば、2.3%である。
さらに、ターゲット中のNa,Cu,In,GaおよびSeの各元素の定量分析は、得られた焼結体をメノウ製乳鉢で250μm以下に粉砕し、ICP法を用いて行った。
Cu:0.8〜1.05
In:0.5〜0.95
Ga:0.05〜0.5
Se:1.90〜2.5
また、Cu,Ga,InおよびSeからなるターゲット素地中にNa化合物相が分散している組織を有すると共に、Na化合物相の平均粒径を5μm以下にすることで、直流スパッタ又は高周波スパッタにおいてNa化合物による異常放電を抑制して安定したスパッタが可能になる。
さらに、ターゲット素地中のCu,Ga,InおよびSeが、四元合金の形態で含有されていることで、ターゲット素地中の各元素が合金状態でなく単に混合されている形態に比べて、スパッタ時の膜質の均一性や安定性が高くなる。特に、四元合金が、粉末X線回折法による定性分析において、カルコパイライト型CuInSe2相とCuGaSe2相との固溶体合金相からなるので、スパッタリングにより均一な組成分布を有したCu−In−Ga−Se四元系カルコパイライト型合金膜を成膜することができる。
(製法A)
石英るつぼを用い、Ar雰囲気中でまずSeを670℃に加熱して固液共存状態に溶かし、その中にCuを投入してCu−Se二元合金溶湯を作製し、その後この溶湯を650℃に保持しながら、Inを10gずつ投入して溶解しCu−Se−In三元系合金溶湯を作製する。このようにして得られたCu−Se−In三元合金溶湯にさらにGaを投入し、1000℃まで温度を上げ溶解することによりCu−In−Ga−Se四元系合金溶湯を作製した。このCu−In−Ga−Se四元系合金溶湯を鋳型に鋳造してインゴットを作製し、インゴットを乾式粉砕機にて100メッシュアンダーまで粉砕してCu−In−Ga−Se合金粉末を得た。
Cu,In,Ga,Seそれぞれ純度99.99%以上のバルク状原料を用意する。以上の各原料を全量石英製坩堝に入れ、Ar雰囲気中で、下記Step1〜7の工程にて溶解した。
Step1:室温から195℃まで昇温(昇温スピード3℃/min)
Step2:195℃保持(4時間キープ)
Step3:195℃から650℃まで昇温(昇温スピード3℃/min)
Step4:650℃保持(1時間キープ)
Step5:650℃から1050℃まで昇温(昇温スピード10℃/min)
Step6:1050℃保持(1時間キープ)
Step7:黒鉛製鋳型に鋳込む。
作製されたインゴットは、乾式粉砕機にて粉砕して、Cu−In−Ga−Se合金粉末を作製した。
焼結後、乾式切削加工で、直径125(mm)×厚さ5(mm)のターゲット(実施例1〜10、比較例1,2)を作製した。
また、XRDによるGa結晶相の判定結果を表3に示す。
また、EPMAの結果から、素地であるCu−In−Ga−Seからなる相に、NaF相、Na2S相又はNa2Se相が均一に分散されていることがわかる。また、NaはF、S、結合しているSeの存在場所以外に確認されていないことから、上記化合物状態であることが判明できる。
本実施例のスパッタリングターゲットは、Inを用いて無酸素銅製のバッキングプレートにボンディングした。スパッタは高周波電源(RF電源)を使用し、到達真空度が5×10−4Pa以下、スパッタ時の投入電力は400W、スパッタガスはArのみで、Ar全圧は0.67Paとした。基板はMo膜付き青板ガラスであり、Mo膜はスパッタによって成膜され、膜厚は800nmである。成膜時の基板温度は室温であり、成膜時間は30minとされ、得られた膜の厚みは1000nmであった。
同実施例のサンプルを用い、金属元素定量の分析(ICP法)および非分散赤外線吸収法による酸素分析を行った。膜中のNa,Cu,In,GaおよびSe、酸素の含有量を表4に示す。
また、本発明の技術範囲は上記実施形態および上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
Claims (8)
- Cu,In,GaおよびSeを含有し、
さらに、NaF化合物の状態でNaが、Na/(Cu+In+Ga+Se+Na)×100:0.05〜5原子%の割合で含有され、
酸素濃度が、200〜2000重量ppmであり、
残部が不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項1に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
Cu,Ga,InおよびSeからなるターゲット素地中にNa化合物相が分散している組織を有すると共に、前記Na化合物相の平均粒径が5μm以下であることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項1又は2に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
ターゲット素地中のGaが、合金の形態で含有されていることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
ターゲット素地中のCu,Ga,InおよびSeが、四元合金の形態で含有されていることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項4に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
前記四元合金が、粉末X線回折法による定性分析において、カルコパイライト型CuInSe2相とCuGaSe2相との固溶体合金相であることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットにおいて、
Cu,In,GaおよびSeの組成範囲が原子比で、
Cu:In:Ga:Se=X:Y:1−Y:Z(0.8<X<1.05、0.5<Y<0.95、1.90<Z<2.5)とされていることを特徴とするスパッタリングターゲット。 - 請求項1から3のいずれか一項に記載のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
原料粉末として、予め80℃以上で乾燥させたNaF粉末と、
Se粉末又はCuとSeとからなるCu−Se合金粉末の少なくとも1種と、
In粉末又はCuとInとからなるCu−In合金粉末と、
CuとGaとからなるCu−Ga合金粉末又はCuとInとGaとからなるCu−In−Ga三元系合金粉末の少なくとも1種とを含む混合粉末を作製し、
この混合粉末を、80℃以上で乾燥させた後に真空又は不活性ガス雰囲気中で熱間加圧により焼結することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。 - 請求項4又は5に記載のスパッタリングターゲットを製造する方法であって、
前記NaF粉末とCu,Ga,InおよびSeからなるカルコパイライト型四元合金粉末との混合粉末を、80℃以上で乾燥させた後に真空又は不活性ガス雰囲気中で熱間加圧により焼結することを特徴とするスパッタリングターゲットの製造方法。
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